CN107221544A - 多光谱摄像装置及其摄像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了多光谱摄像装置及其摄像方法，其中多光谱摄像装置包括图像传感器和滚筒式滤波器，所述图像传感器具有在空间上对不同波段的光线进行信道分离的受光面，所述受光面对至少两种不同波段的光线敏感；所述滚筒式滤波器包括一围绕所述图像传感器旋转的圆筒外壁，所述圆筒外壁包括至少两种供不同波段光线穿透的滤光片，所述滤光片沿所述圆筒外壁的旋转方向依次排列；随所述圆筒外壁的旋转，所述图像传感器的受光面分时接收分别穿过所述滤光片的不同波段的光线。本发明的多光谱摄像装置在空间域和时间域上分离多光谱图像，实现对各个光谱图像单独采集和处理，不仅得到多重光谱的图像以及图像处理后抽出的图像信息，而且整体结构小巧轻便，稳定可靠。

Description

多光谱摄像装置及其摄像方法
技术领域
本发明涉及多重光谱影像技术领域，尤其涉及一种摄取包括红外图像在内的复数个光谱信道的图像的多光谱摄像装置及其摄像方法。
背景技术
多光谱图像的摄取被广泛应用于医学、生物、环境、安全、产品等多个领域，例如用于医疗图像诊断、作物果实皮下无损检测，墙面喷漆质量检测等。
以医疗领域摄取皮下血管影像为例。人体血管隐藏在表皮下面，被皮下脂肪、骨骼所遮挡，在可见光的环境下图像信号及其微弱。红外摄像技术，也称为红外血管图像增强技术利用血管中血红蛋白对波长从760nm到1000nm的近红外光的吸收率与周围其他人体组织不同的原理，首先摄取血管的近红外图像，然后对图像的对比度做强化后，通过一台可见光投影仪将皮下血管投影显示在皮肤表面。这样医生或护士就能够识别患者皮下血管的位置并实时操作。
然而由于皮下血管被皮下脂肪和肌肉组织所包围，它们对于红外光有明显的吸收和散射作用，严重模糊了这种投影式血管显像仪获得的血管图像。这种技术上的先天缺陷在成像直径较小的微细血管时表现得尤其严重。这是因为血管越细小，单位长度的血管内的血液容量就越少，所含有的有氧血红蛋白和无氧血红蛋白的数量就越少，从而它们对近红外光线的吸收就越少。在同等的杂散光背景下，血管和周围组织的对比度就很微弱，通常在0.01～0.1。
所有光线都会在进入皮肤的初始阶段遭到散射和反射，其散射和反射的光线对于只需要知道皮肤下层的血管图像来说仅仅是有害的干扰或噪声。如果从红外图像中减去可见光图像，就可以得到仅仅携带皮下深层部位信息的图像。这就是红外图像的数字减影技术的基本原理。之所以需要在数字图像的环境下进行这种操作，是因为复杂的图像处理无法用模拟信号和模拟电路完成，必须是数字化后由计算机来完成。
现有技术中通过一种多光谱轮盘摄像机实现在时间轴上分离多重光谱信道，称为场序列彩色摄像技术，采用该技术来减少人体皮肤表面和皮下组织对血管红外影像的干扰。该多光谱轮盘摄像机包括一台单色或黑白摄像机以及设置在单色或黑白摄像机的整机外部的装有多个滤波片的轮盘滤波器。使用单色或黑白摄像机在不同的时间段分别摄取数种窄带可见光谱的反射图像，以及近红外的宽带光谱的反射图像，然后从红外图像中减去可见光谱的图像，从而消除大部分来自皮肤表面和皮下浅层次的光线的干扰，获得血管影像对比度增强的图像。
然而，由于在单色或黑白摄像机的整机外部设置轮盘滤波器，而且轮盘滤波器的中心和光学透镜系统以及单色或黑白摄像机的光学轴线不重合，导致整个摄像系统的尺寸和重量都很大，难以成型为便携式的摄像装置。并且，在轮盘滤波器上分布超过三个以上滤波片时，每个光谱波段的图像采集和输出必须在很短的时间内完成，一个颜色波段内每个像素内积累的信号电荷如果不能全部清除干净，残余的电荷和下一个颜色波段的电荷就会混合在一起，造成色彩延迟或者混色的现象。
另外，由于几乎所有的摄像器件，CCD或者CMOS图像传感器都是一个由多个像素组成的呈矩形结构的像素阵列。轮盘滤波器上的滤波片相对于轮盘滤波器的中心旋转时，滤波片扫过矩形像素阵列的时候其边缘并不是平行于像素阵列的每行，所以在该矩形像素阵列上并不是每个像素的曝光时间都相等。在连续采集和输出多个光谱的图像时，就会产生和轮盘滤波器相关的图像亮度的空间非均匀性或闪烁噪声。
可见，现有技术中多光谱轮盘摄像机的轮盘滤波器的中心偏离图像传感器和透镜系统光轴，导致体积庞大和结构不稳定。多个滤波片的分布导致色彩延迟和混色现象，且在连续采集和输出多个光谱的图像时图像亮度的空间非均匀性和闪烁噪声严重，影响所摄取图像的清晰度和准确性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种摄取包括红外图像在内的复数个光谱信道的图像的摄像装置，实现将不同光谱波段的图像在时域和空域上做分别的采集和处理，并将所得到的复数个光谱的图像做相关运算，从而得出穿透物体表面一定深度的高质量的红外影像。
根据本发明的一个方面，提供一种多光谱摄像装置，包括：
图像传感器，所述图像传感器具有在空间上对不同波段的光线进行信道分离的受光面，所述受光面对至少两种不同波段的光线敏感；
滚筒式滤波器，包括一围绕所述图像传感器旋转的圆筒外壁，所述圆筒外壁包括至少两种供不同波段光线穿透的滤光片，所述滤光片沿所述圆筒外壁的旋转方向依次排列；
随所述圆筒外壁的旋转，所述图像传感器的受光面分时接收分别穿过所述滤光片的不同波段的光线。
优选地，所述滤光片包括仅供可见光穿透的第一滤光片和仅供红外光穿透的第二滤光片。
优选地，所述受光面包括对可见光和红外光敏感的矩形像素阵列和覆盖所述矩形像素阵列的彩色滤波片阵列，每个彩色滤波片覆盖所述矩形像素阵列的一个子像素并供对应一种颜色波段的可见光以及红外光穿透，
穿透所述第一滤光片的可见光被所述彩色滤波片阵列按波段分离入射至所述矩形像素阵列，穿透所述第二滤光片的红外光穿透所述彩色滤波片阵列入射至所述矩形像素阵列。
优选地，所述矩形像素阵列包括对红外光敏感的第二像素层和供红外光穿透并对可见光敏感的第一像素层，所述第一像素层覆盖所述第二像素层，所述彩色滤波片阵列覆盖所述第一像素层，
穿透所述第一滤光片的可见光被所述彩色滤波片阵列按波段分离入射至所述第一像素层，穿透所述第二滤光片的红外光穿透所述彩色滤波片阵列以及所述第一像素层入射至所述第二像素层。
优选地，所述圆筒外壁的轴线与所述图像传感器的受光面的一对对边相平行。
优选地，所述圆筒外壁的轴线与所述图像传感器的受光面的中心线重合。
优选地，所述第一滤光片和所述第二滤光片的侧边平行于所述矩形像素阵列的像素行，且
随所述圆筒外壁的旋转，所述第一滤光片的侧边和所述第二滤光片的侧边在所述受光面上的投影的长度大于或等于所述像素行的长度。
优选地，所述多光谱摄像装置还包括：
透镜系统，设于所述滚筒式滤波器的外部且位于所述图像传感器的入光侧，所述透镜系统的光轴垂直所述图像传感器的受光面。
优选地，所述透镜系统的光轴穿过所述受光面的中心和所述滚筒式滤波器的中心。
优选地，所述第一滤光片与所述第二滤光片之间设有不透光的遮光带，所述遮光带在所述受光面上的投影的宽度大于所述矩形像素阵列的像素行之间的行间距离。
优选地，所述多光谱摄像装置还包括处理器，设于所述滚筒式滤波器的外部，所述图像传感器通过行扫描将所述矩形像素阵列中每个子像素内所积分的不同波段的光线的电信号传输到处理器，处理器分别将不同波段的光线的电信号转换为不同波段的光线的数字图像并进行图像运算和解析，
其中，所述图像运算和解析包括从红外光的数字图像中减去可见光的数字图像。
优选地，所述图像传感器的行扫描的方向与所述第一滤光片和所述第二滤光片在所述受光面上的投影的移动方向一致。
优选地，当所述图像传感器启动行扫描时，扫描行的位置始终落入当前一滤光片的投影范围内。
优选地，所述矩形像素阵列中每个子像素包括：
一光电二极管用于将入射光线转换为电信号，一放大晶体管用于放大所述电信号，一输出晶体管用于输出放大后的电信号，以及一复位晶体管用于对所述光电二极管进行电位复位。
优选地，供不同波段光线穿透的滤光片在所述圆筒外壁的分布区域相等或不相等；和/或
至少一所述滤光片为带有偏振性的滤光片；和/或
至少一所述滤光片兼具相位补偿功能；和/或
至少一所述滤光片为插片式滤光片。
优选地，所述滚筒式滤波器还包括一圆筒内胆，所述圆筒内胆套装在所述圆筒外壁内且与所述圆筒外壁同轴，所述图像传感器设于所述圆筒内胆内，所述圆筒外壁围绕所述圆筒内胆旋转。
优选地，所述多光谱摄像装置还包括：
光学部件，设于所述图像传感器的入光侧，所述光学部件包括第一面与所述圆筒内胆的侧壁形成一体化圆筒侧壁，以及相对于所述第一面的第二面接触或不接触设置所述图像传感器的受光面；以及
电路板基台，固定设于所述图像传感器相对于所述受光面的背光面；
其中，所述光学部件的光轴与所述圆筒外壁、所述圆筒内胆和所述受光面的中心在同一直线上。
根据本发明的另一个方面，提供一种多光谱摄像装置的摄像方法，基于上述的多光谱摄像装置，所述摄像方法包括：
驱动所述滚筒式滤波器绕轴线旋转；
不同波段的光线分时穿过供不同波段光线穿透的滤光片，入射至所述图像传感器的受光面，所述受光面分别采集不同波段的光线的图像信号。
有鉴于此，本发明的多光谱摄像装置直接将图像传感器放置滚筒式滤波器的内部，光学透镜系统和其他存储和处理单元等都放在滚筒式滤波器的外部，从而在空间域和时间域上分离多光谱图像，实现对各个光谱图像单独采集和处理，不仅得到多重光谱的图像以及图像处理后抽出的图像信息，而且整体结构小巧轻便，稳定可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的多光谱摄像装置的滚筒式滤波器和图像传感器的结构及布局示意图；
图2是滚筒式滤波器和图像传感器的结构及布局及部分细节放大图；
图3是图像传感器的受光面的一种层叠示意图；
图4是图像传感器的受光面的又一种层叠示意图；
图5是本发明的多光谱摄像装置的结构示意图；
图6是图像传感器与光学透镜组之间的布局示意图；
图7是图像传感器启动行扫描时滚筒式滤波器的旋转速度和图像传感器的帧频之间的关系示意图；
图8是图像传感器的子像素的电路原理图；
图9是本发明的多光谱摄像装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
为了便于解说本发明的概念和方法，下文将以人的手掌的皮肤和血管结构的二维或三维图像的摄取和处理为核心。但是本发明的基本概念的实际应用，当然不会仅限于医疗图像的诊断，也可能应用到比如根据人体或动物皮肤和血管的特征地图判断其身份，水果和植物的成熟度等皮下无损检测，根据多层油漆的红外吸收图谱检测汽车表面喷涂，家具和墙面油漆喷涂质量等，涉及医学，生物，环境，安全，产品等广阔应用领域。
本领域技术人员应当理解的是，贯穿本文所列举或者详细描述的实施例是把和本发明相关联的特征，结构，材料，特性和方法在某个方面上的某种具体的有机组合或排列的实施结果。这些实施例中所描述的特征，结构，材料，特性或方法的以任何适宜的方式所做的有机组合或排列顺序的实施当然也在本发明的基本概念的实施范围之内。
图1为本发明的多光谱摄像装置中滚筒式滤波器和图像传感器的结构及布局示意图，图2为滚筒式滤波器和图像传感器的结构及布局及部分细节放大图。如图1所示，本发明的多光谱摄像装置包括滚筒式滤波器1，滚筒式滤波器1包括一围绕其中心轴线10旋转的圆筒外壁，滚筒式滤波器1内部中空，其圆筒外壁覆盖有不重叠的第一滤光片11和第二滤光片12，具体来说第一滤光片11和第二滤光片12是沿滚筒式滤波器1的圆筒外壁的旋转方向依次排列(图1中同时示出第一滤光片11和第二滤光片12，图2的视角中第二滤光片12被遮挡未示意出)。第一滤光片11和第二滤光片12分别是可以通过不同光谱波段光线的滤光片，比如第一滤光片11仅可以透过从400nm到760nm的所有可见光波长的光线但是不透过红外光，而第二滤光片12仅能透过760nm到1000nm波长的红外光而不透过可见光。滚筒式滤波器1的旋转方向例如箭头14(逆时针)所示。当然滚筒式滤波器1也可绕其中心轴线10沿顺时针方向旋转，本实施例以其沿箭头14所示的逆时针方向旋转为例进行阐述。滚筒式滤波器1的旋转可以由电动机驱动的齿轮或皮带等机械旋转机构所带动，也可以由旋转的电磁场的电磁力所带动。
滚筒式滤波器1的圆筒外壁的内部，放置有图像传感器2(因此以虚线绘制)，且图像传感器2不随滚筒式滤波器1旋转。由于图像传感器2置于滚筒式滤波器1的内部且不随滚筒式滤波器1旋转，因此也可将滚筒式滤波器1的旋转视为围绕图像传感器2旋转。图像传感器2具有在空间上对不同波段的光线进行信道分离的受光面20，该受光面20对至少两种不同波段的光线敏感，在本实施例中即对可见光和红外光均敏感。滚筒式滤波器1的轴线10与两维平面的图像传感器2的受光面20的一对对边平行。图像传感器2可以如图示放置于滚筒式滤波器1的内部中心，使其受光面20的中心线与滚筒式滤波器1的轴线10重合，或者，图像传感器2也可靠近滚筒式滤波器1的入光侧放置，这将在下文中具体讲述。其中，滚筒式滤波器1在驱动设备(图未示)的驱动力下绕中心轴线10旋转，随滚筒式滤波器1旋转，可见光和红外光依次穿透第一滤光片11和第二滤光片12入射至受光面20，由图像传感器2分时采集可见光的图像信号和红外光的图像信号。
图像传感器2的受光面20包括像素阵列和覆盖像素阵列的彩色滤波片阵列，彩色滤波片阵列为纵向或者横向周期性排列的彩色滤波片矩阵，每个彩色滤波片覆盖像素阵列的一个子像素，并供对应一种颜色波段的可见光以及红外光穿透。随滚筒式滤波器1旋转，穿透第一滤光片11的可见光被彩色滤波片阵列按波段分离入射至像素阵列，以供像素阵列采集可见光的彩色图像信号，穿透第二滤光片12的红外光继续穿透彩色滤波片阵列入射至像素阵列，以供像素阵列采集红外光的灰度图像信号。
具体的，图3和图4是图像传感器2的受光面20的两种不同层叠示意图。如图3所示，图像传感器2的受光面20可以包括一对可见光和红外光均敏感的矩形像素阵列201(图中并未示意出矩形像素阵列201中的每个子像素，这不应视为对本发明的限制)，具体是由同时对可见光和红外光敏感的光电探测器阵列所构成的矩形像素阵列201，在矩形像素阵列201的每个子像素上，覆盖有一个彩色滤波片，每个彩色滤波片供对应一种颜色波段的可见光以及红外光穿透。例如，图示矩形像素阵列201上覆盖了红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色滤波片形成的彩色滤波片阵列202，则每三个分别覆盖有RGB三原色滤波片的子像素可视为一个RGB像素单元22。穿透第一滤光片11的可见光被彩色滤波片阵列202按波段分离入射至矩形像素阵列201的每个子像素，穿透第二滤光片12的红外光继续穿透彩色滤波片阵列202入射至矩形像素阵列201。
或者，如图4所示，矩形像素阵列201包括对红外光敏感的第二像素层2012和供红外光穿透并对可见光敏感的第一像素层2011。其中，第一像素层2011覆盖第二像素层2012，也即第一像素层2011位于第二像素层2012的入光侧；彩色滤波片阵列202覆盖第一像素层2011，也即彩色滤波片阵列202位于第一像素层2011的入光侧。穿透第一滤光片11的可见光被彩色滤波片阵列202按波段分离入射至第一像素层2011，以供采集可见光的彩色图像信息；穿透第二滤光片12的红外光继续穿透彩色滤波片阵列202以及第一像素层2011入射至第二像素层2012，以供采集红外光的图像信息。下文中，均以受光面20包括矩形像素阵列201和彩色滤波片阵列202为例进行阐述。其中，矩形像素阵列201包括复数个子像素矩阵排布形成的像素行和像素列。参照图2，以粗虚线21示意受光面20上的一行像素，于实际矩形像素阵列201包含多行像素，并不以图示为限。每行像素21包括多个子像素，每个子像素上覆盖一彩色滤波片。例如图示矩形像素阵列201上覆盖了红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色滤波片形成的彩色滤波片阵列202，则每三个分别覆盖有RGB三原色滤波片的子像素可视为图2中放大示意的一个RGB像素单元22。这样，随滚筒式滤波器1旋转，穿透第一滤光片11的可见光被RGB三原色滤波片按波段分离入射至相应的子像素，从而采集RGB三种不同波段的彩色图像信号。当然，应当理解的是，本实施例是以彩色滤波片为RGB三原色滤波片为例进行阐述，于实际彩色滤波片也可包括可见光波段范围内的其他颜色滤波片，以供穿透滚筒式滤波器1的第一滤光片11的可见光在图像传感器2的受光面20上形成多道光谱的彩色图像信号。
进一步的，滚筒式滤波器1的第一滤光片11和第二滤光片12的侧边平行于图像传感器2的像素行21，并且，随滚筒式滤波器1旋转，第一滤光片11和第二滤光片12在图像传感器2的受光面20上的投影的长度大于或等于图像传感器2的像素行21的长度。由于滚筒式滤波器1绕其中心轴线10逆时针旋转，则第一滤光片11和第二滤光片12在图像传感器2的受光面20上的投影的移动方向即箭头15所示从左往右(从左往右是基于图2所示的视角)移动。这样，像素行21与第一滤光片11和第二滤光片12在受光面20上的投影的移动方向垂直，且第一滤光片11和第二滤光片12在受光面20上的投影完全覆盖像素行21，使得像素阵列上每个子像素的曝光时间都相等，避免图像亮度的空间非均匀性或闪烁噪声。
在本实施例中，图像传感器2接收穿透过滚筒式滤波器1的侧面的第一滤光片11或第二滤光片12的携带有图像信息的光线，并将其转换成图像的电信号。由于放置于滚筒式滤波器1内部的图像传感器2可以在第一滤光片11后同时摄取RGB等不同颜色的图像信息，不存在现有技术中场序列摄像机中的残余电荷导致的混色问题。即使有微量的RGB波段的残余电荷和后续的近红外波段的信号电荷混合，或者微量的近红外波段的残余电荷与RGB波段的信号电荷混合，由于人眼对红外线的不敏感使得上述残余电荷对于图像视觉的影响可以忽略不计。并且，由于滚筒式滤波器1的内部仅仅放置图像传感器2和必须的驱动和电源电路，使得滚筒式滤波器1和图像传感器2集成后能够微型化且易在高速旋转中保持设备稳定。
图5是本发明的多光谱摄像装置的结构示意图。如图5所示，多光谱摄像装置除滚筒式滤波器1及设于其内部的图像传感器2外，还包括透镜系统3，设于滚筒式滤波器1的外部且位于图像传感器2的入光侧，透镜系统3对入射光线4进行光学预处理并聚焦至滚筒式滤波器1内部的图像传感器2的受光面20。具体的，透镜系统3包括对入射光线4进行聚焦和校正各种像差的光学透镜组31，以及调整焦距和通光孔径(即光圈)等零部件的预处理系统32。在该多光谱摄像装置中，图像传感器2被固定安置在滚筒式滤波器1的内部，其受光面20朝向透镜系统3，入射光线4通过透镜系统3的预处理和聚焦，并穿透第一滤光片11或第二滤光片12即可到达图像传感器2。
作为优选的实施例，透镜系统3的光轴30垂直于图像传感器2的受光面20，并穿过图像传感器2的受光面20中心和滚筒式滤波器1的中心，从而克服了先行技术的轮盘滤波器的中心偏离图像传感器和透镜系统光轴，导致体积庞大和结构不稳定的缺陷。
进一步的，在滚筒式滤波器1的侧面，位于第一滤光片11和第二滤光片12之间是不透明的圆筒外壁的一部分或不透光的遮光片13，例如黑色遮光片，在图中以黑色阴影标示。遮光片13作为不同光谱的滤光片(在本实施例中即指代第一滤光片11和第二滤光片12)之间的过渡，用于防止不同颜色或广义地说不同光谱波段的光线(在本实施例中即指代可见光和红外光)在图像传感器2的受光面20上的交叠，这种不同颜色的光线在同一个像素上的交叠会产生混色作用，妨碍区分不同光谱波段的图像信号。换句话说，本发明通过第一滤光片11和图像传感器2内部的彩色滤波片阵列202实现了同步摄取可见光的彩色图像，读出时间过短引起的像素内残留电荷造成的混色现象仅有可能发生在视觉不敏感的可见光和红外光之间；而又通过第一滤光片11和第二滤光片12之间的遮光片13实现了可见光和红外光在图像传感器2的受光面20上的空间上的隔离，进一步避免可见光和红外光的信号电荷的混合，从而基本上杜绝可能发生的混色现象。需注意，遮光片13的宽度在防止可见光和红外光在图像传感器2的受光面20上的交叠的前提下需要满足一定的边界条件，其具体取值将在下文中结合图3阐述。
继续，多光谱摄像装置还包括处理器(图未示)，设于滚筒式滤波器1的外部，处理器通过外部电路与图像传感器2连接，图像传感器2通过行扫描，将每个像素单元内所积分的可见光的图像信号和红外光的图像信号传输到处理器，处理器分别将可见光的图像信号和红外光的图像信号转换为可见光数字图像和红外光数字图像并进行图像运算和解析，其中，图像运算和解析包括从红外光数字图像中减去可见光数字图像。
上述多光谱摄像装置还包括探测滚筒滤波器1的旋转速度和位置的同步探测装置(图中没有绘出)，该同步探测装置可以包括光电二极管，LED光源以及滚筒上的透光窗口所组成。光电二极管和LED光源分别放置在滚筒滤波器1的圆筒外壁的内侧或者外侧，相隔圆筒外壁或者滚筒上的透光窗口。当圆筒外壁旋转时，LED光源的光线依次透过圆筒外壁上的通孔入射到光电二极管上，光电二极管输出相应的电信号脉冲，从而可以确定滚筒滤波器1的圆筒外壁的旋转位置和转速。这些同步信息被传送到图像传感器2使得图像信号的采集时序和滚筒滤波器1的机械旋转精确同步。另外一种同步的方式，是用图像传感器2的时序信号去控制带动滚筒的步进电机或者伺服电机，从而迫使滚筒滤波器1的机械旋转速度和图像传感器2的扫描时序同步。
配合滚筒式滤波器1的第一滤光片11和第二滤光片12在图像传感器2受光面20上的投影的移动方向15，图像传感器2的扫描方向确定为箭头23所标示的方向，从而在二维的图像传感器2的受光面20上，扫描方向23和第一滤光片11和第二滤光片12的边界在该受光面20上的投影的移动方向15平行。这样，在滚筒式滤波器1旋转过程中，包含有各种波长的入射光线4经过正处在图像传感器2正前方的入射光路上的第一滤光片11或者第二滤光片12的选择性过滤，能够透过该滤光片的特定光谱波段(在可见光区域则有颜色)的光线透射到图像传感器2上，图像传感器2接收携带有图像信息的光线后，将其转换成图像的电信号，在经过一定时间的曝光后，该图像传感器2启动逐行扫描或者隔行扫描，将每个像素单元内所积分的所述特定波段(具体是指可见光或者红外光)的图像电信号传输到外部电路和处理器，由处理器将这些图像电信号转换成数字图像并根据实际应用和目的做各种图像运算和解析。
图6是图像传感器2与光学透镜组31之间的布局示意图。如图6所示，WS是图像传感器2在扫描方向23上的长度，LSF是图像传感器2的受光面20中心到遮光带13的距离，D是光学透镜组31的有效通光孔径，F是光学透镜组31的出射镜头平面中心到图像传感器2中心的距离，在物距无限远的时候等于出射镜头的焦距长度，为简要说明原理，这里用焦距来替代。
根据图5所示的结构，为了使得可见光和红外光在图像传感器2的受光面20没有交叠，遮光带13(图中以黑色阴影标示)的最小宽度WBL(min)应该满足：
此处A等于通光孔径D和焦距之比，又被称为光学系统的相对孔径，其倒数为光圈数，或F数。为了保证即使有零部件的制造误差和多光谱摄像装置的系统装配误差的情况下，在有系统震动导致的对位偏差的情况下，依然不出现混色的现象，遮光带13在图像传感器2的受光面20上的投影的宽度应该至少大于一行像素的宽度，也就是像素阵列的行间距离WPP。考虑到WPP通常远远小于光学系统的通光孔径D，近似地：
WBL(min)＝A·LSF+WPP (2)
可知，要使遮光带13的最小宽度WBL(min)变小从而获得更大的第一滤光片11和第二滤光片12的面积和更宽裕的图像电荷的积分和读出时间，减少图像传感器2的受光面20中心到遮光带13的距离LSF是最有效的办法，也就是说将图像传感器2放置到靠近滚筒式滤波器1的入光侧的内侧面，使得图像传感器2距离滚筒式滤波器1的入光侧的内侧面越近越好。
需注意，图6中为突出遮光带13，将其绘制较宽，实际上遮光带13的宽度只需满足上述的条件即可。
图7是图像传感器2启动行扫描时滚筒式滤波器1的旋转速度和图像传感器2的帧频之间的关系示意图。当滚筒式滤波器1旋转时，第一滤光片11和第二滤光片12的边缘在图像传感器2的受光面20上的投影的移动速度记为VF，滚筒式滤波器1的转速记为Φ，滚筒式滤波器1的直径记为DF，LSF为图3中遮光带13到图像传感器2的受光面20的距离，也即第一滤光片11和第二滤光片12到图像传感器2的受光面20的距离。需注意，因遮光带13在滚筒式滤波器1的侧面分布的区域范围远小于第一滤光片11和第二滤光片12在滚筒式滤波器1的侧面分布的区域范围，且在本实施例中遮光带13的相关参数不参与计算，因此图7中将遮光带13省去，仅示出第一滤光片11和第二滤光片12以及图像传感器2之间的位置关系。根据图5和图6可以得到：
其中，β是图像传感器2垂直于扫描方向23的两侧边的距离WS相对滚筒式滤波器1的中心的夹角的一半，而且：
另一方面，图像传感器2的受光面20上扫描行的移动速度VSCAN可以简单地表述为：
其中，TFRAME是图像传感器2的帧周期，TBLANKING是每帧图像之间的空白等待时间间隔。
如图7所示，当第一滤光片11和第二滤光片12的投影和扫描行24的位置图像传感器2的受光面20上沿着同一个方向移动时，无论是扫描行24被后一个滤光片的投影赶上，或者是扫描行赶上前一个滤光片的投影，都会造成不同行像素之间的曝光时间的不均等。也就是说，当图像传感器2启动行扫描时，在受光面20上扫描行24的位置应始终落入当前的滤光片(第一滤光片11或第二滤光片12)的投影范围内。以图7为例，WC是第二滤光片12在图像传感器2的受光面20上的投影总长度，通常大于图像传感器2沿扫描方向23的长度WS，WX是扫描图像传感器2的第一行时，扫描行24(此时即为第一行)到前一个滤光片(即第一滤光片11)的直线距离。经研究，需满足以下不等式所揭示的条件，就可以避免扫描行24移动过快追赶上第一滤光片11，同时避免扫描行24移动过慢被第一滤光片11追赶，也就是说保证扫描行24的位置始终落入当前的第二滤光片12的投影范围内。该不等式(6)即为滚筒式滤波器1的优化的驱动条件：
将上述的等式(3)、(4)、(5)分别代入不等式(6)，得到：
其中，帧周期TFRAME的倒数则为帧频率，当TBLANKING相对于帧周期可以忽略时，上述不等式(7)的中间表达式就是图像传感器2的帧频，可见不等式(7)揭示了极其重要的图像传感器2的帧频和滚筒滤波器1的转速之间同步的边界条件。
图8是图像传感器2的子像素的电路原理图。该子像素220可以是图像传感器2的像素阵列中的任意一个子像素，例如是图2所示的RGB像素单元22中三个子像素中的任意一个。如图8所示，本实施例中图像传感器2是一个内部具有放大功能的CMOS图像传感器，整个图像传感器2是制作在硅晶片的基板上，其中包括了光电二极管PD，对光电二极管PD进行电位复位的复位开关晶体管M1，对光电二极管PD的电位进行放大的放大晶体管M2，选择该子像素输出的选择开关晶体管M3。当图像传感器2的扫描方向23和滚筒滤波器1上的第一滤光片11和第二滤光片12在图像传感器2的受光面20上的投影的移动方向14一致，则在图8的像素电路图中，扫描自下而上，在该子像素的选择开关晶体管M3的栅极上施加信号Scani，输出该子像素的经过放大的信号，同时对前一行的所有像素进行复位动作。
图8揭示的实施例中，像素电路是三个晶体管(复位开关晶体管M1、放大晶体管M2和选择开关晶体管M3)组成的放大型像素电路，于实际根据需要像素电路也可以是具有更多功能的，比如有消除开关噪声和晶体管电压差异的四个和四个以上晶体管的像素电路。作为一种特例，也可以是不具备放大作用的简单地输出光生电荷的MOS图像传感器的像素，其中包括一个光电二极管和一个选择输出晶体管开关。
图9是本发明的多光谱摄像装置的另一种结构和布局示意图。在滚筒式滤波器1高速旋转过程中，会带动其内侧和外侧周围的空气，当周围有阻挡气流的非圆滑表面或者不规则外形的物体存在时，空气的流动被扰乱和打散，产生各种湍流或者漩涡，这些不规则的湍流和气流漩涡会造成空气的震动，从而带动图像传感器2发生有规则的共振或者无规律的颤动。空间位置的颤动必然带来图像的颤动和模糊。为了解决这个问题，如图9所示，本实施例揭示一种改善机械旋转稳定性的滚筒式滤波器1和图像传感器2的结构和布局。其包括一个圆筒内胆5，也即一个圆筒形的刚性壳体，圆筒内胆5与滚筒式滤波器1的圆筒外壁形状匹配设于滚筒式滤波器1的内部，并且圆筒内胆5与滚筒式滤波器1的圆筒外壁同轴但不随滚筒式滤波器1旋转。在圆筒内胆5中，设有一光学部件6，光学部件6位于图像传感器2的入光侧，光学部件6包括第一面与圆筒内胆5的侧壁形成一体化圆筒侧壁。具体的，光学部件6是柱状透镜或者具有柱状透镜外表面的透明光学薄膜，对可见光和红外光具有高度透过性，其曲率半径和圆筒内胆5的圆柱形外表面的曲率半径一致，在光学部件6嵌于圆筒内胆5形成一体化的筒形外壁后，光学部件6到滚筒式滤波器1内侧的间隙和圆筒内胆5外表面到滚筒式滤波器1内侧的间隙基本相等。这样，在外围的滚筒式滤波器1的圆筒外壁(包括第一滤光片11、第二滤光片12和遮光带13)和圆筒内胆5的圆筒侧壁之间是均匀的恒定的空气间隙，气流的扰动和湍流被显著降低。
进一步的，光学部件6相对于第一面的第二面接触或不接触设置图像传感器2，且在图像传感器2的背光面设置包含有电子电路的刚性或柔性电路板以及固定和机械支撑该图像传感器2的基台7。并且，光学部件6的光轴与滚筒式滤波器1的圆筒外壁、圆筒内胆5和图像传感器2的中心均在同一直线上。若光学部件6和图像传感器2紧密接触，则圆筒内胆5、光学部件6、图像传感器2和基台7被固定在一起，不随外围的滚筒式滤波器1旋转。若光学部件6和图像传感器2不接触设置，则基台7和固定在基台7上的图像传感器2与圆筒内胆5和光学部件6分离开，这样即使空气的流动会带动圆筒内胆5和光学部件6微小颤动，也不会传递到图像传感器2上。
基于本实施例所揭示的基本概念和思路，采用类似的结构也可以在图5中隔离滚筒式滤波器1对多光谱摄像装置的透镜系统3的扰动，在此不再赘述。
另外，在本发明的上述实施例以及附图中，为展示方便均使得第一滤光片11在滚筒式滤波器1的外侧面的分布区域范围等于第二滤光片12在滚筒式滤波器1的外侧面的分布区域范围。然而根据实际应用和特殊目的，不同光谱波段的滤光片针对滚筒式滤波器1的中心所占据的角度可以不同，从而获得对不同波长光线的不同的像素曝光时间和其他特殊的应用需求。另外，上述实施例中第一滤光片11和第二滤光片12的形状都按照滚筒式滤波器1的外凸轮廓呈现弧形，另外一个方向(也即面对图像传感器2的方向)为平面，然而根据实际应用和特殊目的，或者由于光学系统上的要求，或者滤光片制作工艺等要求，滤光片也可以是平面结构，甚至是向着滚筒式滤波器1的中心呈现内凹的形状。
上述实施例中，滚筒式滤波器1的圆筒外壁安置的透过光线的第一滤光片11和第二滤光片12都是没有偏振性的滤光片，然而根据实际应用和特殊目的，该第一滤光片11和第二滤光片12也可以是具有选择性通过特定偏振方向光线的滤光片(即具有偏振效果的滤光片)，或者具有选择性通过或者遮断特定光谱波长范围的光线的偏振片(即带有颜色的偏振片)，或者其中至少一个滤光片是纯粹的偏光片。装备这种具有偏振特性的滤光片的滚筒式滤波器1的多光谱摄像装置，就可以将不同偏振方向的光学图像分别转换成数字图像，通过数字图像的处理，得到被检测物体，或者人体表皮或者皮下组织的更加精细的生物和结构信息。
上述实施例中，滚筒式滤波器1的圆筒外壁安置的透过光线的第一滤光片11和第二滤光片12对于入射光线都不产生额外相位差，然而根据实际应用和特殊目的，该第一滤光片11和第二滤光片12也可以是具有一定相位补偿功能的光学膜片，或者是兼具有过滤特定光谱，或者兼具偏光特性和相位补偿的光学膜片。装备这种具有相位补偿片的滚筒式滤波器1的多光谱摄像装置，就可以将不同相位的光学图像，甚至光线之间相互干涉后所揭示的图像，分别转换成数字图像，通过数字图像的处理，得到被检测物体，或者人体表皮或者皮下组织的更加精细的生物和结构信息。
进一步的，滚筒式滤波器1上的滤波片，或者偏光片，或者相位补偿片，均可以是可更换的插片式结构，就可以通过替换膜片，方便地获得不同光谱波段，不同偏光方向，不同相位差的图像。同一个多光谱摄像装置，则可用于不同的用途，可用于采集不同深度的红外图像等，带来了更多的应用可能性。
综上，本发明的多光谱摄像装置直接将CCD或者CMOS的彩色图像传感器放置于一个旋转的微型滚筒式滤波器的中间，光学透镜系统和其他包括信号预处理，A/D变换，数字图像的存储和处理单元，都放在滚筒式滤波器的外部，在空间域和时间域上分离多光谱图像，并对各个光谱图像单独采集和处理，不仅得到多重光谱的图像以及图像处理后抽出的图像信息，而且整体结构小巧轻便，稳定可靠。使用本发明的多光谱摄像装置，可有效摄取可见光的彩色图像和红外光的灰度(强度)图像，或者同时摄取可见光的复数个波段的图像(比如RGB)和红外光的复数个波段的图像。依据本发明所揭示的滚筒式滤波器的原理和采用该滚筒式滤波器的多光谱摄像装置的构造和驱动方法，可以高效、便携并精确地获得多光谱的图像，特别是人体的皮下组织不同深度的红外图像信息，从而显著提高医学影像诊断和治疗的水平。
以上对本发明的基本概念和具体的若干实施例进行了描述。这里需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。本发明也不局限于上述实施例中为了便于阐明基本概念所描述的医学影像应用，当然也包括其他领域的应用比如工业产品和环境检测，多层印刷和多层喷漆的质量检测，通过皮下血管地图判定人和动物的身份，虚拟空间和增强现实的游戏以及商业行为等。

Claims (18)

1.一种多光谱摄像装置，其特征在于，包括：
图像传感器，所述图像传感器具有在空间上对不同波段的光线进行信道分离的受光面，所述受光面对至少两种不同波段的光线敏感；
滚筒式滤波器，包括一围绕所述图像传感器旋转的圆筒外壁，所述圆筒外壁包括至少两种供不同波段光线穿透的滤光片，所述滤光片沿所述圆筒外壁的旋转方向依次排列；
随所述圆筒外壁的旋转，所述图像传感器分时接收分别穿过所述滤光片的不同波段的光线。
2.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述滤光片包括仅供可见光穿透的第一滤光片和仅供红外光穿透的第二滤光片。
3.如权利要求2所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述受光面包括对可见光和红外光敏感的矩形像素阵列和覆盖所述矩形像素阵列的彩色滤波片阵列，每个彩色滤波片覆盖所述矩形像素阵列的一个子像素并供对应一种颜色波段的可见光以及红外光穿透，
穿透所述第一滤光片的可见光被所述彩色滤波片阵列按波段分离入射至所述矩形像素阵列，穿透所述第二滤光片的红外光穿透所述彩色滤波片阵列入射至所述矩形像素阵列。
4.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述矩形像素阵列包括对红外光敏感的第二像素层和供红外光穿透并对可见光敏感的第一像素层，所述第一像素层覆盖所述第二像素层，所述彩色滤波片阵列覆盖所述第一像素层，
穿透所述第一滤光片的可见光被所述彩色滤波片阵列按波段分离入射至所述第一像素层，穿透所述第二滤光片的红外光穿透所述彩色滤波片阵列以及所述第一像素层入射至所述第二像素层。
5.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述圆筒外壁的轴线与所述图像传感器的受光面的一对对边相平行。
6.如权利要求5所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述圆筒外壁的轴线与所述图像传感器的受光面的中心线重合。
7.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一滤光片和所述第二滤光片的侧边平行于所述矩形像素阵列的像素行，且
随所述圆筒外壁的旋转，所述第一滤光片的侧边和所述第二滤光片的侧边在所述受光面上的投影的长度大于或等于所述像素行的长度。
8.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，还包括：
透镜系统，设于所述滚筒式滤波器的外部且位于所述图像传感器的入光侧，所述透镜系统的光轴垂直所述图像传感器的受光面。
9.如权利要求8所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述透镜系统的光轴穿过所述受光面的中心和所述滚筒式滤波器的中心。
10.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述第一滤光片与所述第二滤光片之间设有不透光的遮光带，所述遮光带在所述受光面上的投影的宽度大于所述矩形像素阵列的像素行之间的行间距离。
11.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，还包括处理器，设于所述滚筒式滤波器的外部，所述图像传感器通过行扫描将所述矩形像素阵列中每个子像素内所积分的不同波段的光线的电信号传输到处理器，处理器分别将不同波段的光线的电信号转换为不同波段的光线的数字图像并进行图像运算和解析，
其中，所述图像运算和解析包括从红外光的数字图像中减去可见光的数字图像。
12.如权利要求11所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述图像传感器的行扫描的方向与所述第一滤光片和所述第二滤光片在所述受光面上的投影的移动方向一致。
13.如权利要求11所述的多光谱摄像装置，其特征在于，当所述图像传感器启动行扫描时，扫描行的位置始终落入当前一滤光片的投影范围内。
14.如权利要求3所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述矩形像素阵列中每个子像素包括：
一光电二极管用于将入射光线转换为电信号，一放大晶体管用于放大所述电信号，一输出晶体管用于输出放大后的电信号，以及一复位晶体管用于对所述光电二极管进行电位复位。
15.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，供不同波段光线穿透的滤光片在所述圆筒外壁的分布区域相等或不相等；和/或
至少一所述滤光片为带有偏振性的滤光片；和/或
至少一所述滤光片兼具相位补偿功能；和/或
至少一所述滤光片为插片式滤光片。
16.如权利要求1所述的多光谱摄像装置，其特征在于，所述滚筒式滤波器还包括一圆筒内胆，所述圆筒内胆套装在所述圆筒外壁内且与所述圆筒外壁同轴，所述图像传感器设于所述圆筒内胆内，所述圆筒外壁围绕所述圆筒内胆旋转。
17.如权利要求16所述的多光谱摄像装置，其特征在于，还包括：
光学部件，设于所述图像传感器的入光侧，所述光学部件包括第一面与所述圆筒内胆的侧壁形成一体化圆筒侧壁，以及相对于所述第一面的第二面接触或不接触设置所述图像传感器的受光面；以及
电路板基台，固定设于所述图像传感器相对于所述受光面的背光面；
其中，所述光学部件的光轴与所述圆筒外壁、所述圆筒内胆和所述受光面的中心在同一直线上。
18.一种多光谱摄像装置的摄像方法，其特征在于，基于如权利要求1-17任意一项所述的多光谱摄像装置，所述摄像方法包括：
驱动所述滚筒式滤波器绕轴线旋转；
不同波段的光线分时穿过供不同波段光线穿透的滤光片，入射至所述图像传感器的受光面，所述受光面分别采集不同波段的光线的图像信号。
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